電力電子器件產業發展藍皮書(2016-2020年)

  • 2017-01-13 09:39:56

目 錄
  一、發展電力電子器件產業的重要意義..1
  (一)電力電子技術的基本涵義.. 1
  (二)電力電子技術的重大作用..... 1
  (三)電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心...3
  (四)電力電子器件簡介... 3
  二、電力電子器件產業發展狀況及趨勢.. 8
  (一)國際發展狀況... 8
  (二)國內發展狀況...11
  三、 電力電子器件的市場分析及預測.. 14
  (一)國際市場分析.. 14
  (二)國內市場分析..15
  (三)市場預測... 16
  四、2016-2020年電力電子發展重點... 19
  (一)關鍵材料....20
  (二)關鍵電力電子器件....22
  (三)關鍵設備....23
  (四)技術標準....25
  五、 展望....27
  一、發展電力電子器件產業的重要意義
  (一)電力電子技術的基本涵義
  電力電子技術(Power Electronics,又稱功率電子技術)是能源高效轉換領域的核心技術,它以電力電子器件為基礎,實現對電能高效地產生、傳輸、轉換、存儲和控制,提高能源利用效率、開發可再生能源,推動國民經濟的可持續發展。電力電子技術包括電力電子器件、電力電子設備和系統控制三個方面,其轉換功率范圍小到數瓦(W),大到數百兆瓦(MW)甚至吉瓦(GW),其產業不僅涉及到電力電子器件、電力電子裝置、系統控制及其在各個行業的應用等領域,還涉及到相關的半導體材料、電工材料、關鍵結構件、散熱裝置、生產設備、檢測設備等產業。
  (二)電力電子技術的重大作用
  近年來,“節能減排”、“開發綠色新能源”已成為我國長期發展的基本國策。在我國綠色能源產業發展的推動下,電力電子技術迅速發展成為建設節約型社會、促進國民經濟發展、踐行創新驅動發展戰略的重要支撐技術之一。
  電力電子技術作為一種通過高效轉換提供高質量電能,實現節能、環保和提高人民生活質量的重要技術,已經成為弱電控制與強電運行相結合、信息技術與先進制造技術相融合、實現智慧化升級不可或缺的重大關鍵核心技術,屬關鍵共性技術領域。
  電力電子技術在實施《中國制造2025》規劃中具有重大意義,它在多個領域發揮關鍵作用:例如,提高有關產業的關鍵核心技術的研發能力和創新能力,推進科技成果產業化;通過“互聯網+”推進信息化與工業化深度融合;加快發展智能制造設備和產品,推進制造過程的智慧化;增強工業基礎能力和產業化;全面推行綠色制造,推進資源高效循環利用;深入推進制造業結構調整和企業技術改造等,為實施中國制造強國建設“三步走”的發展戰略提供強大的技術支撐。
  將電力電子技術應用于發電、輸電、變電、配電、用電、儲能,能夠起到改善電能、控制電能、節能環保的作用,使電網的工頻電能最終轉換成不同性質、不同用途的高質量電能,以適應千變萬化的用電裝置的不同需要。我國工業領域使用了大量的軋機、無軌電車、電焊機、電鍍和電解電源、風機、水泵等機電設備,具有巨大的效率提升需求和空間。電力電子技術被稱為是“節能的先鋒”、“環保的衛士”,是節能減排的重要技術之一。
  (三)電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心
  半個多世紀電力電子技術的發展證明:沒有領先的器件,就沒有領先的設備,電力電子器件對電力電子技術領域的發展起著決定性的作用。就像中央處理器(CPU)是一臺計算機的心臟一樣,電力電子器件是現代電力電子裝置的心臟。電力電子器件的價值通常不會超過整臺裝置總價值的10~30%,但它對裝置的總價值、尺寸、重量和技術性能起著十分重要的作用。從歷史上看,電力電子器件像一顆燃起電力電子技術革命的火種,每一代新型電力電子器件的出現,總是帶來一場電力電子技術的革命。
  (四)電力電子器件簡介
  電力電子器件是采用半導體材料制造、用于實現電能高效轉換的開關控制電子器件,包括功率半導體分立器件、模塊和組件等,主要有功率二極管和功率晶體管兩大類。1957年美國通用電氣公司(GE)研制出世界上第一只工業用普通晶閘管(Thyristor),標志著電力電子器件的誕生。電力電子器件的發展經歷了以晶閘管為核心的第一階段、以MOSFET和IGBT為代表的第二階段,現在正在進入以寬禁帶半導體器件為核心的新發展階段。
  1.功率二極管
  功率二極管有陽極(A)和陰極(K)兩個電極,具有單向導電的特性,主要類型有PiN二極管和肖特基二極管(SBD)兩種。PiN二極管有高耐壓、大電流、低泄漏電流和低導通損耗的優點,但電導調制效應在漂移區中產生的大量少數載流子降低了關斷速度,限制了器件向高頻化方向發展,代表性器件是快恢復整流二極管(FRD)。肖特基二極管具有低壓、大電流、低功耗、高速開關等特性,在高頻整流、開關電路和保護電路中作為整流和續流元件,可以大幅度降低功耗,提高電路效率和使用頻率,減少電路噪聲,但是存在不能承受較高電壓的缺點。
  2.晶閘管
  晶閘管具有PNPN或NPNP四層半導體結構,它的陽極(A)和陰極(K)與電源和負載組成晶閘管的主電路;它的門極(G)和陰極(K)與外部驅動裝置組成晶閘管的控制電路。它能在高電壓、大電流條件下工作,但工作頻率較低。在晶閘管的基礎上開發了門極可關斷晶閘管(GTO)和集成門極換流晶閘管(IGCT)等新型器件。
  GTO是晶閘管的一種派生器件,可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷, 其電壓電流容量較大,目前GTO的最高研究水平可以達到12000V /10000A,在高壓大功率牽引、工業和電力逆變器中應用較為普遍。集成門極換流晶閘管(IGCT)是一種用于大型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件,它集IGBT的高速開關特性和GTO的高阻斷電壓和低導通損耗特性于一體,具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、導通損耗低、可靠性高、結構緊湊等特點。
  3.功率雙極型晶體管(BJT)
  功率雙極型晶體管(BJT)是最早出現的全控型、電流控制電力電子器件,它有基極(B)、發射極(E)和集電極(C)三個電極,通過基極電流的控制作用實現對發射極與集電極之間電流的開關控制。它通過少子注入實現了電導調制,既具備飽和壓降較低、安全工作區寬等優點,也存在驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞等缺點。隨著功率MOSFET和IGBT的出現,它基本上被后兩者所替代,只在某些成本要求低的中等容量、中等頻率領域有一定的應用。
  4.功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)
  功率MOSFET是一種單極型的電壓控制器件,它有柵極(G)、漏極(D)和源極(S)三個電極。柵極通過絕緣層與漏極和源極隔離,并調控源極與漏極之間形成載流子輸運的溝道,實現控制器件開關的目的。由于不受少子儲存效應的限制,能夠在很高的頻率(>100kHz)下工作,其導通電壓具有正溫度特性,易于并聯以擴大電流容量,并具有較好的線性輸出特性和較小的驅動功率。代表性的硅基功率MOSFET器件是垂直導電雙擴散場效應晶體管(VDMOS),是低壓范圍內應用最廣的電力電子器件,但在高壓應用時其導通電阻隨耐壓急劇上升,給高壓功率MOSFET的應用帶來了很大障礙。
  CoolMOS是一種特殊的功率場效應晶體管,它作為一種超級結器件,克服傳統功率MOSFET導通電阻和擊穿電壓的矛盾,可以實現器件導通電阻和擊穿電壓的最佳化設計。最新一代CoolMOS在額定脈沖電流容量下能兼有極低的通態電阻和超快的開關速度,其阻斷電壓能力可覆蓋500~800V的范圍。
  5.絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)
  絕緣柵雙極型晶體管,是由功率MOSFET和BJT組成的復合全控型電壓驅動式器件,它由柵極(G)、發射極(E)和集電極(C)三個電極,綜合了MOSFET的高輸入阻抗和BJT低導通壓降兩方面的優點,既具有MOSFET器件驅動功率小、開關速度快的優點,又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點,其頻率特性介于功率MOSFET與BJT之間,可正常工作于幾十kHz頻率。
  商業化的IGBT已發展成系列,其電流范圍包括從2A的IGBT單管到3600A的IGBT模塊,耐壓范圍涵蓋300V到6500V。IGBT是1200V以上電壓領域的主流電力電子器件,并正逐漸向高壓大電流領域發展。
  傳統的電力電子器件都是采用半導體材料硅(Si)來研制的。隨著電力電子器件性能需求的不斷提高,硅材料的物理局限性日益顯現,嚴重制約了硅器件的電壓、電流、頻率、溫度、耗散功率和抗輻射等性能的提高。近年來,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料迅速發展,已開發出了各種SiC功率二極管和晶體管器件,其中,SiC功率二極管主要有肖特基二極管(SBD)、PiN二極管、結勢壘肖特基二極管(JBS),SiC晶體管主要有功率BJT器件、功率JFET器件、功率MOSFET器件、IGBT和晶閘管等;GaN功率器件主要有肖特基二極管和高電子遷移率晶體管(HEMT)等。這些新型電力電子器件的出現,開啟了電力電子器件領域的新局面,引起了電力電子技術領域一場新的革命。
  二、電力電子器件產業發展狀況及趨勢
  (一)國際發展狀況
  半個多世紀以來,伴隨著基于硅材料的半導體產業的發展,硅基電力電子器件得到了同步發展,形成了龐大的基于硅基電力電子器件的電力電子產業。
  在超大功率(電壓3.3kV以上、容量1~45MW)領域,晶閘管和集成門極換流晶閘管(IGCT)具有巨大的市場。目前,國際上6英寸8.5kV/5kA晶閘管已商品化。瑞士ABB等公司開發了非對稱型、逆導型和逆阻型IGCT的產品,研發水平已達到9kV/6kA,商業化產品有4.5kV和6kV兩種系列,其中6.5kV/6kA的IGCT產品已經開始供應市場。
  在中大功率領域(電壓1200V~6.5kV),IGBT是市場上的主流產品。IGBT器件(包括大功率模塊、智能功率模塊)已經涵蓋了300V~6.5kV的電壓和2A~3600A的電流。近年來,以德國英飛凌、瑞士ABB、日本三菱、東芝和富士等為代表的電力電子器件企業開發了先進的IGBT技術和產品,占有全球每年約50億美元的市場,帶動了高達幾百億美元的電力電子設備市場。
  在中小功率領域(900V以下),功率MOSFET是應用最廣泛的電力電子器件,也是目前市場容量最大、需求增長最快的器件,其中以超級結為代表的新結構器件是該器件的重要發展方向。
  從上世紀90年代開始,技術領先國家和國際大型企業紛紛投入到以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體器件的研發和產業化中,對SiC材料、器件、封裝、應用的全產業鏈進行了重點投入和系統布局,全力搶占該技術與產業的戰略制高點和國際市場。
  SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料,已經形成了全球的材料、器件和應用產業鏈。SiC材料方面的企業以Cree、II-VI、Dow Corning等為代表,其中2013年Cree開發出6英寸SiC單晶產品,其微管密度低于1個/cm2;多家公司研發出厚度超過250μm的SiC外延材料樣品,并批量提供中低壓器件用SiC外延材料產品。在SiC器件方面,國際上報道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超過20kV的SiC功率二極管和SiC IGBT芯片樣品。Cree和Rohm公司開發了SiC MOSFET產品,電壓等級從650V~1700V,單芯片電流超過50A,并開發出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模塊產品。
  GaN是另一種重要的寬禁帶半導體材料。它具有獨特的異質結結構和二維電子氣,在此基礎上研制的高電子遷移率晶體管(HEMT)是一種平面型器件,可以實現低導通電阻、高開關速度的優良特性。國際上也有團隊報道了垂直型的GaN電力電子器件。近年來圍繞GaN半導體器件的全球研發投入以及生產規模均快速增長,其中650V以下的平面型HEMT器件已經實現了產業化。
  在電力電子器件的專利方面,2001~2010年期間,全球電力電子器件行業專利申請量處于穩步增段,每年的全球專利申請量都在1500項左右,器件類型以MOSFET和IGBT為主,申請量占比達到 67%。國際上電力電子器件的專利集中于國際大型公司,全球專利申請量居前5位的分別是東芝、NEC、日立、三菱、富士,均是日本公司,歐洲和美國的GE、英飛凌、西門子、ABB等歐美企業也在該領域申請了大量專利。國際上寬禁帶電力電子器件專利始于1989年。2011~2015年期間,國際上SiC和GaN器件領域專利申請量增長迅速,據預測將在2025年左右達到峰值。
  (二)國內發展狀況
  我國目前已經初步建立起了包含晶閘管、IGCT、功率MOSFET、IGBT等全系列硅基電力電子器件產業,在我國國民經濟發展中發揮了重要的作用。
  在超大功率(電壓3.3kV以上、容量1~45MW)領域,我國以晶閘管為代表的傳統半控型器件的技術已經成熟,水平居世界前列,5~6英寸的晶閘管產品已廣泛用于高壓直流輸電系統,并打入國際市場,形成了國際競爭力。目前我國已經研制成功7英寸晶閘管產品,并實現了IGCT產品的商業化。
  在中大功率(電壓1200~6500V)和中小功率(900V以下)領域,在國家產業政策支持和國民經濟發展的推動下,我國高頻場控電力電子器件技術和產業取得了長足的進步,建立了從電子材料、芯片設計、研制、封裝、測試和應用的全產業鏈。中小功率的MOSFET芯片已產業化,批量生產的單管已在消費類電子領域得到廣泛應用,600~900V的MOSFET芯片正在開發中;600V、1200V、1700V/10~200A的IGBT芯片和600V、1200V、1700V/10~300A的 FRD芯片已進入產業化階段,3300V、4500V、6500V/32~63A的IGBT和3300V、4500V、 6500V/50~125A FRD的芯片已研發成功,并進入量產階段;IGBT模塊的封裝技術也上了一個大臺階,采用國產芯片的600V、1200V、1700V、3300V/200~3600A的IGBT模塊已經實現量產,采用國產芯片的4500V、6500V/600~1200A的IGBT模塊進入小批量的量產階段。國產品牌IGBT芯片和模塊已經形成與國際品牌競爭的態勢。
  近年來,在國家各級部門的支持下,我國SiC和GaN電力電子器件實現了“從無到有”的突破,在技術研發方面有了較好的積累,個別技術水平接近國際先進水平。在SiC材料方面,國內4英寸N型SiC單晶產品已產業化,其微管密度小于1個/cm2;已經開發出了6英寸SiC單晶樣品,正在進行產業化開發;在SiC外延材料方面,國內研發出了150μm以上的SiC外延材料,20μm以下的SiC外延產品已經實現量產。在SiC器件方面,國內研發出了17kV PiN二極管芯片、3.3kV/50A SiC肖特基二極管芯片、1.2kV~3.3kV SiC MOSFET芯片、4.5kV/50A SiC JFET模塊等樣品。目前,我國已具備600V~3.3kV SiC二極管芯片量產能力, SiC MOSFET芯片產業化能力正在形成。我國有若干科研機構和企業從事GaN材料技術的開發,目前已開發出了6英寸硅基GaN晶圓材料的產品;目前我國已經具備了600~1200V平面型GaN芯片的研發能力,并具備了600V平面型GaN器件的產業化能力。綜合而言我國寬禁帶電力電子器件技術和產業水平還落后于國際先進水平。
  在電力電子器件的專利方面,上個世紀90年代,我國該領域的專利主要集中于硅基功率MOSFET和IGBT。從2000年起,我國開展申請SiC和GaN電力電子器件的相關專利,2010年后,我國在該領域的專利申請數量出現明顯的增長。目前我國寬禁帶材料和器件的專利數量僅次于日本、美國和德國,居全球第四位,專利申請人以研究型的科研院所為主。
  三、 電力電子器件的市場分析及預測
  (一)國際市場分析
  當前,國際電力電子器件市場的年平均增長速度在15%左右,2013年市場容量將近1千億美元,主要供應商集中在美國、日本和歐洲。美國是電力電子器件的發源地,在全球電力電子器件市場中占有重要的位置,主要器件企業有通用電氣(GE)、ON Semi等。從上世紀90年代開始,日本成為國際上電力電子器件產業的發達地區,主要器件企業有東芝、富士和三菱等。歐洲也是全球電力電子器件產業的發達地區,主要企業有英飛凌、ABB、Semikron等。國際上SiC電力電子器件的主要供應商有Wolfspeed、英飛凌、羅姆、東芝、富士和三菱等公司;國際上GaN電力電子器件的主要企業有英飛凌、松下、富士通、三星、Transphom、GaN System、EPC、Avogy等。
  從器件種類看,以硅基功率MOSFET和IGBT為代表的場控型器件是國際電力電子器件市場的主力軍,其中IGBT器件的年平均增長率超過30%,遠高于其它種類器件。在SiC和GaN電力電子器件領域,由于國際上出現商業化產品的時間較短,并受技術成熟度和成本的制約,該領域尚處于市場開拓的初期階段,預計將在2018~2020年進入市場爆發式增長階段。
  (二)國內市場分析
  “十二五”期間,我國電力電子器件市場在全球市場中所占的份額越來越大,已成為全球最大的大功率電力電子器件需求市場,在此期間我國電力電子器件市場年增長率近20%。在此器件,我國的IGBT芯片實現了量產,600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V的芯片和模塊均能提供產品,并逐步擴大應用領域。但是,我們必須看到,我國IGBT芯片的進口率仍然居高不下,主要市場仍然被國外企業所主導,嚴重阻礙了我國獨立自主IGBT器件產業的健康發展。
  隨著戰略性新興產業的崛起,電力電子器件及裝置在風能、太陽能、熱泵、水電、生物質能、綠色建筑、新能源設備等先進制造業中將發揮重要作用。2013年我國的電力電子器件市場總額近2000億元人民幣,由此直接帶動的電力電子裝置產業的市場超過2萬億元人民幣。中國電器工業協會電力電子分會預測,隨著新能源革命的推動,我國電力電子器件產業將迎來10~20年的黃金發展期,將保持較高的增長態勢,并在投資增量需求與節能環境需求的雙重推動,以及下游電力電子裝置行業需求高速發展的拉動下,我國電力電子器件市場到2020年預計將超過5000億元人民幣。
  (三)市場預測
  目前,電力電子器件市場的主力軍仍然是硅基功率MOSFET和IGBT等器件。盡管這些器件已趨于成熟,但是未來幾年,隨著器件新結構的出現和制造工藝水平的不斷提高,其性能會得到進一步提升和改良,CoolMOS、各種改進型的IGBT和IGCT仍有很強的生命力和競爭力。在未來一段時間內,以各種電力電子器件為主功率器件的電力電子裝置和系統將展開激烈競爭。
  超大功率領域,晶閘管類器件在一段時間還有廣泛的應用。大功率平板全壓接IGBT將在這一領域向晶閘管發起挑戰。未來10~15年,這一領域也將面臨高壓大容量碳化硅電力電子器件的挑戰。
  在中大功率領域,以硅基IGBT為主功率器件的設備將廣泛應用于工業電源、電機變頻、通訊電源、不間斷電源、工業加熱,電鍍電源、電焊機等領域。特別是隨著我國柔性高壓直流輸電、軌道交通、新能源開發、電動汽車等技術的發展和市場需求的增加,高電壓、大電流的IGBT器件的需求非常緊迫,需求量非常大。在接下來的5~10年內,這一領域的硅基IGBT器件將面臨碳化硅電力電子器件的強勁挑戰。
  在中小功率領域,以MOSFET、IGBT為主功率器件的電力電子系統和設備將在中低功率領域發揮巨大的作用,主要用于消費類領域,如電磁爐、變頻空調、變頻冰箱等。基于超級結技術的CoolMOS將成為重要的發展方向。在接下來的5~10年內,該領域的硅基MOSFET和IGBT器件將面臨氮化鎵電力電子器件的強勁挑戰。
  在SiC和GaN電力電子器件領域,由于受到材料成本較高和材料質量較低以及工藝不完全成熟等因素的影響,國際上僅在650V~1700V的SiC器件和低于650V的GaN器件領域實現了產業化。近年來,全球在SiC和GaN材料和器件的研發投入以及生產規模均迅速增長,產業化技術快速成熟,具有廣泛的市場前景。以SiC和GaN材料為代表的寬禁帶半導體材料和器件產業已成為高科技領域中的戰略性產業,國際領先企業已經開始部署市場,全球新一輪的產業升級已經開始。
  四、2016-2020年電力電子發展重點
  制造業是國民經濟的主體,是立國之本、興國之器、強國之基。沒有強大的制造業,就沒有國家和民族的強盛。作為制造業之一的電力電子器件產業,是關系到國計民生的高新基礎性產業,在經濟發展、國防建設和民生中發揮著重大的作用。電力電子器件產業主要是核心的電力電子芯片和封裝的生產,但也離不開半導體和電子材料、關鍵零部件、制造設備、檢測設備等產業的支撐,其發展既需要上游基礎的材料產業的支持,又需要下游裝置產業的拉動,其產業發展具有投資大、周期較長的特點。
  為建立我國獨立自主的、具有國際競爭力電力電子器件產業,建議在2016~2020年在以下技術和產業進行重點布局,并制定關鍵材料和關鍵器件的相關技術標準。其中,近期發展目標為:在硅基電力電子器件用8英寸高阻區熔中照硅單晶圓片,IGBT封裝用平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件、氮化鋁覆銅板、鋁-碳化硅散熱基板,6英寸碳化硅單晶及外延材料,6英寸~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高溫(>300ºC)封裝材料等關鍵材料方面形成生產能力;關鍵電力電子器件方面,硅基IGBT芯片、模塊以及硅基MOSFET、FRD的國內市場占有率達到一定的份額,形成中低壓 SiC功率二極管、JFET和MOSFET以及低壓GaN功率器件等器件生產能力,開發相應功率模塊。2020年發展目標為:在關鍵材料方面,形成硅基電力電子器件所需全部材料、碳化硅6英寸單晶和厚外延材料、6~8英寸硅基GaN外延材料和4~6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN電力電子器件所需高溫(>300ºC)封裝材料等的生產能力,并建立相應標準體系和專利保護機制;在關鍵電力電子器件方面,硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化產品,綜合性能達到國際先進水平,SiC二極管、晶體管及其模塊產品和GaN器件產品具有國際競爭力。
  (一)關鍵材料
  1.關鍵半導體材料
  (1)提升8英寸區熔中照高阻硅晶圓片技術,其直徑≥200mm,滿足IGBT芯片生產的需求,中子輻照設備和工藝上有所提高。
  (2)開發6英寸4H型SiC單晶及切磨拋圓片技術,實現零微管;開發6英寸4H型SiC同質厚外延片,滿足SiC芯片生產的需求。
  (3)開發GaN外延材料技術,包括硅基GaN外延材料、碳化硅基GaN外延材料和基于GaN襯底的同質外延材料等,滿足GaN芯片生產的需求。
  (4)研發基于氮化鋁、氧化鎵、金剛石等新型半導體材料技術。
  2.關鍵零部件材料
  (1)開發平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件材料,滿足平板全壓接型IGBT制造的需求。
  (2)開發氧化鋁(Al2O3)陶瓷覆銅板、氮化鋁(AlN)陶瓷覆銅板、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆銅板、鋁-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝膠、焊片(焊帶)等關鍵零部件材料,滿足焊接型功率模塊制造的需求。
  (3)開發專用于SiC和GaN器件的封裝材料,滿足工作溫度≥300ºC的需求。
  (二)關鍵電力電子器件
  1.硅基高頻場控電力電子器件
  在硅基高頻場控電力電子器件方面,突破溝槽、電場終止等關鍵技術的設計和制造工藝,形成規模生產能力。提升軌道交通、電力系統和新能源汽車用的高壓大容量IGBT模塊的產業化水平,開發超大容量平板全壓接IGBT模塊產品、進一步提升快恢復二極管FRD芯片和高壓功率MOSFET芯片的技術水平。
  2.碳化硅電力電子器件
  (1)SiC功率二極管
  掌握600V~6.5kV SiC結勢壘肖特基功率二極管的產業化技術,實現10kV以上SiC PiN功率二極管的技術突破,形成從600V到10kV及以上電壓等級的SiC功率二極管系列產品的開發能力。
  (2)SiC功率晶體管
  掌握600V~6.5kV的SiC JFET和MOSFET的產業化技術,實現10kV以上SiC IGBT和SiC GTO的技術突破,具備從600V到10kV及以上電壓等級的碳化硅晶體管系列產品的開發能力。
  (3)SiC功率模塊
  掌握全套的SiC器件封裝材料、封裝設計和封裝工藝技術,滿足開發高壓、大容量和高溫SiC功率模塊的需求,并掌握全套測試技術,研發整套測試設備,建立相關技術標準,為新能源汽車、新能源并網、軌道交通、新型直流輸配電網等領域開發SiC功率模塊產品。
  3.氮化鎵電力電子器件
  (1)GaN電力電子器件
  掌握GaN肖特基二極管、HEMT晶體管、金屬絕緣柵半導體場效應晶體管(MISFET)等芯片設計和工藝技術,為新能源和節能減排領域提供高頻率GaN器件產品。
  (2)GaN功率模塊
  掌握全套的GaN模塊封裝材料、封裝設計和封裝工藝技術,并掌握全套測試技術,研發整套測試設備,建立相關技術標準,為通訊和信息電源、分布式能源并網等領域提供GaN功率模塊產品。
  (三)關鍵設備
  電力電子器件的關鍵設備包括芯片生產設備、器件封裝設備和檢測設備三大系列。
  1.生產設備
  硅基電力電子器件的關鍵設備包括晶圓減薄機、離子注入機、晶圓切割機、激光退火爐等。SiC材料和器件的核心工藝制造設備包括單晶爐、外延爐、高能離子注入機、高溫氧化爐、ICP刻蝕機和超高溫退火爐等。金屬有機化合物化學氣相外延(MOCVD)是制造GaN功率器件的關鍵設備。建議對以上關鍵生產設備的關鍵技術進行攻關,實現設備國產化。
  2.封裝設備
  電力電子芯片的封裝設備主要包括真空焊接爐、引線鍵合機、揀片機、貼片機、點膠機、灌膠機、氣相清洗機、助焊劑清洗機等。我國已經初步建立了電力電子芯片的封裝產業,但是封裝所需的設備嚴重依賴進口。建議對真空焊接爐、引線鍵合機等封裝設備的關鍵技術進行攻關,實現設備國產化。
  3.檢測設備
  檢測設備是電力電子器件的芯片加工和器件封裝過程的必備設備。建議重點攻關以下檢測設備的關鍵技術,實現設備國產化:
  (1)高壓大電流探針測試設備及大電流步進多頭探針,
  (2)滿足高壓大容量器件的測試需求的靜、動態參數測試設備,
  (3)推拉力測試、局部放電測試、基板拱度測試、熱阻測試等封裝材料檢測設備,
  (4)功率循環、被動熱循環、高溫反偏、高溫柵偏、絕緣老化等可靠性測試設備,
  (5)X射線測試儀、超聲測試儀等無損檢測設備,
  (6)以上測試設備的測試夾具。
  (四)技術標準
  為加強電力電子器件產業領域標準的制定和知識產權保護,建議在新型電力電子器件用的關鍵半導體材料、關鍵零部件材料以及電力電子器件方面建立公共服務平臺,制定面向行業的技術認證、產品檢測的相關技術標準,為建立具有協同創新能力的電力電子產業體系服務。
  1.關鍵材料技術標準
  (1)建議制定區熔中照高阻硅晶圓片、SiC襯底晶圓片、SiC同質厚外延片、GaN異質外延片等關鍵半導體材料的技術標準。
  (2)建議制定平板全壓接多臺架精密陶瓷結構件、氧化鋁(Al2O3)陶瓷覆銅板(DBC和AMB工藝)、氮化鋁(AlN)陶瓷覆銅板(DBC和AMB工藝)、氮化硅(Si3N4)陶瓷覆銅板、鋁-碳化硅(AlSiC)基板、硅凝膠、焊片(焊帶)等關鍵零部件材料的技術標準。
  2.關鍵電力電子器件技術標準
  (1)建議制定軌道交通用IGBT、電力系統用IGBT、新能源汽車用IGBT、平板全壓接IGBT、電動車輛用功率MOSFET、快恢復二極管FRD等硅基電力電子器件的技術標準。
  (2)建議制定肖特基二極管、PiN二極管、結勢壘肖特基二極管、JFET、MOSFET、BJT、IGBT、晶閘管等SiC電力電子器件的技術標準。
  (3)建議制定肖特基二極管、HEMT、MISFET等GaN電力電子器件的技術標準。
  五、 展望
  電力電子器件產業是我國制造業的重要組成部分之一,在實施《中國制造2025》的規劃中將發揮重大的作用。
  在“十三五”期間,要按照《中國制造2025》的精神發展我國的電力電子器件產業,要堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針,堅持“市場主導、政府引導,立足當前、著眼長遠,整體推進、重點突破,自主發展、開放合作”的基本原則,將“互聯網+”引入電力電子器件制造業,使信息化和電力電子器件制造產業深度融合,提高產業的技術創新能力,提升產業的制造智慧化水平,把我國從今天的電力電子器件需求大國,建設成為電力電子器件的制造大國,繼而建設成電力電子器件的創造強國。

贵州快三走势图一定牛一定牛